一种正向进料和反流向清洗的卷式膜分离工艺及设备 技术领域 本发明涉及一种正向进料和反流向清洗的卷式膜分离工艺及设备， 主要用于物料 的分离、 延长膜的使用寿命及提高清洗的效果。
背景技术 膜分离工艺是一种以压力为驱动进行分离的技术 ( 参见图 1)。在过滤过程中， 料 液通过泵的加压， 料液以一定流速沿着膜的表面流过， 大于膜截留分子量的物质分子不透 过膜， 为浓缩液 ( 截流液 ) 流回料罐， 小于膜截留分子量的物质分子透过膜， 形成透析液。 故膜系统都有两个出口， 一是回流液 ( 浓缩液 ) 出口， 另一是透析液出口。在单位时间 ( 小 2 时 ) 单位膜面积 (m ) 透析液流出的量 ( 升 ) 称为膜通量 (LMH)， 即过滤速度。影响膜通量 的因素有 ： 温度、 压力、 固含量 (TDS)、 离子浓度、 粘度等。
工业膜设备应用最大的问题就是膜污染， 膜污染对膜系统的影响有 ： 降低透析液 通量、 改变截留率、 改变产品组分、 增加膜阻力、 减少膜使用寿命增加膜系统成本。
工业膜污染的种类主要有以下几方面 ：
吸附污染 ： 有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。随着时间的延 长， 污染物在膜孔内的吸附或累积会导致孔径减少和膜阻增大， 这是难以恢复的 ；
沉淀污染 ： 原水中氢氧化物或碳酸盐、 硫酸盐等浓度超过了其溶解度， 在膜上形成 沉淀或结垢 ；
生物污染 ： 微生物在膜 - 水界面上积累， 从而影响系统性能的现象。 膜的生物污染 分两个阶段 ： 粘附和生长。 在溶液中没有投入杀虫剂或投量不足时， 粘附细胞会在进水营养 物质的供养下成长繁殖， 形成生物膜。
膜的污染是不可避免的， 如何加以控制通过以下几个方面来克服 ：
对膜材料进行改性 ： 减轻溶质或污染物在膜表面、 膜孔的吸附和在膜孔的堵塞 ；
改进膜组件或膜器结构 ： 形成理想的流体流动状态， 降低溶质或污染物在膜表面 的浓度 ；
污染膜的清洗 ： 通过化学清洗、 物理擦洗法、 反冲洗、 负压清洗、 超声波清洗和电解 法等方法来恢复膜通量。
目前对工业卷式膜系统的污染最常用的解决办法就是采用化学清洗的方法进行 污染膜系统的清洗。工业设计时一支卷式膜外管的装芯数量一般设计都是在 3 只膜元件 以上， 根据某个糖液分离项目的工程现象发现 ： 1、 一支膜外管中料液进口的第一只膜元件 与最后一根出口的膜元件相比， 第一只膜元件污杂较轻， 细菌较少， 流道基本清晰， 但第二 只与第三只膜， 流道则几乎被细菌的黏胶体敷住 ； 2、 在第二只膜与第三只膜进料端靠近膜 管进口侧， 细菌胶体或其它污染物质略少， 而另一侧细菌胶体非常多。 以上两个现象说明一 支膜外管中污染较严重的是最后面的一只膜元件， 即从进料端到出料端污染程度是从轻到 重； 目前所有的卷式膜系统设计时清洗的流道走向与进料的流道走向是一致的， 清洗时污 染较轻的第一只膜元件清洗较容易， 而对污染较严重的后端膜元件清洗效果则较差， 也较
难恢复膜的性能及提高膜的使用寿命， 从而也大大增加了膜系统的运行成本， 加快了膜的 更换频率。 发明内容
本发明针对以上技术的不足， 提出了一种新型的正向进料及反流向清洗的卷式膜 分离工艺及设备， 以利于物料的分离、 延长膜的使用寿命及提高清洗的效果。
为了达成上述目的， 本发明的解决方案是 ：
一种正向进料及反流向清洗的卷式膜分离工艺， 其包括正向进料和反流向清洗两 个阶段 ； 正向进料时， 打开进料阀， 开启输料泵及高压泵， 膜堆切换到正向进料的连接状态， 调节截止阀直到系统压力达到设定值， 膜分离系统进行正常运行， 将料液送入循环罐中， 经 输料泵、 高压泵进入膜堆， 透过膜的物质形成透板液， 不透过膜的物质经截止阀、 浓缩管路 回流至循环罐 ； 反流向清洗时， 打开进水阀， 开启输料泵及高压泵， 膜堆切换到与正常进料 的相反状态， 调节截止阀直到清洗所需要的压力， 膜分离系统进行清洗状态。
所述卷式膜分离工艺还包括顶料阶段， 正向进料分离达到要求时， 膜分离系统进 入顶料状态， 打开进水阀， 开启输料泵及高压泵， 膜堆保持正向进料的连接状态， 截止阀在 全开状态， 然后缓慢降低输料泵及高压泵的电机频率直至停止， 清洗液从清洗罐流出， 经输 料泵、 高压泵进入膜堆， 透过膜的物质形成透板液直接排出， 不透过膜的物质经截止阀、 浓 缩管路回流至循环罐。
所述反流向清洗后根据顶料的方式， 切换阀门， 将清洗液冲顶干净， 然后关闭高压 泵及输料泵进行停机。
一种正向进料及反流向清洗的卷式膜分离设备， 包括循环罐、 清洗罐、 输料泵、 高 压泵、 膜堆和截止阀 ； 循环罐的进口接料液管， 出口经管道、 输料泵和高压泵与膜堆的进料 端连接， 膜堆的出料端经浓缩管、 截止阀接回循环罐， 膜堆的透析端接透析管路 ； 清洗罐的 进口接清洗管， 出口经管道、 输料泵和高压泵与膜堆的出料端连接， 膜堆的进料端经浓缩 管、 截止阀接回清洗罐， 膜堆的透析端接透析管路 ； 各管件上安装阀门。
所述输料泵和高压泵之间增加连接保安过滤器和压力传感器。
所述浓缩管上增加连接换热器。
所述膜堆的膜元件连接至转换盘， 转换盘用于方便切换膜堆正向进料和反流向清 洗及切换管路。
采用上述方案后， 本发明独特创新的正向流进料与反流向清洗的管路设计， 通过 切换， 可实现正流向进料、 反流向清洗或反流向进料正流向清洗， 这一独特设计的意义在 于： 有效降低膜污染、 提高清洗效果， 使得膜通量得到有效的恢复， 从而延长膜使用寿命， 减 缓通量衰减， 尤其处理固形物含量大于 8％的料液效果更为明显， 可提高 10％膜工作效能， 由于多种料液的固形物含量均较高， 对于这种料液的分离系统采取正向进料反流向清洗更 具意义。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详述。 附图说明
图 1 是本发明的流程示意图。标号说明 循环罐 10 管道 11 清洗罐 12 输料泵 13 保安过滤器 14 压力传感器 15 高压泵 16 转换盘 17 膜堆 20 透析管路 21 截止阀 22 换热器 23 浓缩管 24具体实施方式
如图 1 所示， 本发明揭示的一种正向进料及反流向清洗的卷式膜分离设备， 包括 循环罐 10、 清洗罐 12、 输料泵 13、 高压泵 16、 膜堆 20 和截止阀 22。循环罐 10 的进口接料 液管， 出口经管道 11、 输料泵 13 和高压泵 16 与膜堆 20 的进料端连接， 膜堆 20 的出料端经 浓缩管 24、 截止阀 22 接回循环罐 10， 膜堆 20 的透析端接透析管路 21。此实施例中输料泵 13 和高压泵 16 之间还增加连接保安过滤器 14 和压力传感器 15。膜堆 20 的膜元件连接至 转换盘 17， 转换盘 17 用于方便切换膜堆 20 正向进料和反流向清洗及切换管路。清洗罐 12 的进口接清洗管， 出口经管道 11、 输料泵 13 和高压泵 16 与膜堆 20 的出料端连接， 膜堆 20 的进料端经浓缩管 24、 截止阀 22 接回清洗罐 12， 膜堆 20 的透析端接透析管路 21。此实施 例中浓缩管 24 上增加连接换热器 23。各管件上安装阀门。
其中， 各构件功能说明如下 ：
循环罐 10 ： 贮存料液同时作为料液的料罐 ；
输料泵 13 ： 从循环罐 10 抽取料液并作为保安过滤器 14 的加压使用 ；
保安过滤器 14 ： 作为料液进膜前的安全过滤系统 ； 对高压泵 16 也起保护作用， 预 过滤器入口压力 3bar， 压降 1bar ；
高压泵 16 ： 作为膜系统的进膜加压系统 ；
膜堆 20( 膜组件 ) ： 料液分离浓缩的核心部分 ；
换热器 23 ： 料液的降温及清洗液的升温作用 ；
清洗罐 12 ： 贮存清洗液及作为清洗系统的循环罐 ；
管材管件及阀门系统 ： 料液的输送管路及切换阀门 ；
转换盘 17 ： 正向进料及反流向清洗的管路切换 ；
仪表 ： 用于监测系统的压力、 流量、 温度、 PH、 电导率及其它的参数 ；
电气控制系统 ： 卷式膜设备的自动或手动控制系统。
本发明使用时， 卷式膜设备正常走料运行时 ： 打开进料阀， 开启输料泵 13 及高压 泵 16， 转换盘 17 中的转换板按照图 1 所示进行连接， 调节截止阀 22 直到系统压力达到设定 值， 膜分离系统进行正常运行 ； 当物料的分离达到要求时设备停机然后进入顶料状态 ： 打 开进水阀， 开启输料泵 13 及高压泵 16， 转换盘 17 中的转换板按照图 1 所示进行连接， 截止 阀 22 在全开状态， 然后缓慢降低输料泵 13 及高压泵 16 的电机频率直至停止。卷式膜设备 的清洗 ： 当上述顶料过程完成后， 打开进水阀， 开启输料泵 13 及高压泵 16， 转换盘 17 中的 转换板进行切换一个方向， 使得进膜的管路与正常走料的管路相反， 调节截止阀 22 直到清洗所需要的压力， 膜分离系统进行清洗状态 ； 清洗总进行 40 分钟后， 根据顶料的方式， 切换 阀门， 将清洗剂冲顶干净， 然后开闭高压泵 16 及输料泵 13 进行停机。
操作人员通过将拆出来的膜用高压水枪， 将膜进料端口附着的细菌冲刷走， 另外 将 4 只膜的进料方向对调， 1、 膜管内的进料端第一支膜， 调为第四只， 以此类推 ； 2、 单只膜 的方向也对调 ； 通过这样做， 将卷式膜中的污染物冲出一部分， 通量得到非常有效的恢复 ； 通过这个措施也证明， 正向进料与反流向清洗是行之有效的方式。
本发明具体操作如下 ：
(1) 卷式膜系统的正常走料运行过程控制
a) 检查确认各个阀门处于过料位置， 调节阀在全开位置 ；
b) 启动输料泵， 缓慢调节输料泵频率至 30Hz， 打开进料泵排气口与保安过滤器排 气口进行排气， 当排气口稳定均匀排出料液， 停止排气 ；
c) 开启高压泵， 缓慢调节高压泵的频率至 30Hz， 观察循环管路流量计， 打开高压 泵排气口， 进行排气， 当排气口稳定排除料液时， 停止排气 ；
d) 调节输料泵及高压泵频率至 45Hz 及 42Hz， 待流量稳定后， 调节出口截止阀至压 力显示 10bar， 检查保安过滤器进出口压力， 如果保安过滤器进口 (pin) 出口 (pout) 的压差 (pin-pout) 小于 0.1bar， 说明保安过滤袋有破损， 必须进行停机更换 ； 如果压差 (pin-pout) 大 于 0.8bar， 说明保安过滤袋有堵， 必须进行停机更换 ；
e) 根据膜系统操作记录， 进行过程参数的技术， 包括料液温度、 pH、 输料泵压力、 频 率、 保安过滤器进压与出压、 高压泵频率与压力、 膜组件的进压与出压， 浓缩液流量， 透析液 流量， 浓缩液电导， 透析液电导等， 操作参数必须每隔 15min 做一次数据记录 ；
f) 在过料过程中， 可以根据透析流量， 适当调节输料泵、 高压泵频率与压力， 进行 升高膜组件进 / 出压力 ；
g) 过料过程中， 必须时刻观察保安过滤器进出口压力， 压差大于 0.8bar 或者压差 小于 0.1bar， 都必须停机进行保安过滤袋的处理 ；
h) 过料过程中， 必须时刻观察膜组件进出口的压力， 当膜组件进出口的压差大于 2.8bar， 必须切换顶料清洗状态 ；
i) 过料过程中， 必须保证 CIP 清洗罐中存储有超过清洗管 2/3 液位电导小于 30um/cs， 透光度为 100％的纯水。
(2) 顶料操作过程
a) 当浓缩液的含量与透析液的含量符合要求时， 或者膜组件进出口压差大于 1.8bar 时， 进行顶料操作 ；
b) 顶料时， 缓慢降低输料泵及高压泵频率直到停止， 并将调节阀至于全开状态 ；
c) 将系统进料阀从循环罐切换至清洗罐， 系统出料阀保持不变， 即回流至循环罐， 透析液液直接外排 ； 开启输料泵的频率至 30-35Hz， 高压泵 30Hz， 将清洗管中的纯水打入膜 系统， 调节浓缩液调节阀至系统压力在 5bar ； 同时开启纯水输送泵， 将纯水输入清洗罐， 保 持清洗罐总的液位不低于 1/2 ；
d) 顶料过程中， 检测浓缩液的含量， 当浓缩液的电导 40um/cs 时， 切换浓缩液回流 管路， 将顶洗液排放 ；
e) 顶料直到透析液与浓缩液的电导至 30um/cs 时， 顶料结束， 进入清洗状态。(3) 卷式膜系统的清洗过程控制 膜清洗与通量恢复是纳滤膜系统稳定运行的的关键之一， 必须严格控制与执行规程； a) 顶料结束， 切换阀门至于清洗模式， 截止阀门处于 100％开启状态， 切换阀门至 清洗状态 ； 开启输送泵， 开启蒸汽阀门， 预热循环水温至 35 度 ；
b) 预热完成后， 关闭蒸汽阀门 ； 膜系统进入膜清洗状态， 将清洗罐水位控制在 2/3 处， 调节输料泵、 高压泵的压力到测定水通量的状态 ；
c) 检查透析液流量， 若透析液流量为初始测的流量的 90％以上， 说明通过物理清 洗可恢复膜通量， 根据膜停机保养措施处理 ；
d) 若纳滤膜水通量小于初始通量的 90％， 则需要进入化学清洗程序 ；
e) 切换转换盘的进料方向， 使得清洗进料方向与正常过料的方向相反， 即清洗的 进料端是原来正常过料的浓缩液出口端， 原来正常过料的进口端变成清洗液的浓缩液端 ； 根据清洗的效果当次清洗可以随时切换不同的进料端， 以达到最佳的清洗效果 ；
f) 量取相应的清洗剂 1kg， 用 5L 桶盛 35-40 度的纯水， 充分溶解清洗剂后， 往清洗 罐中缓慢添加， 添加时溶解好的清洗剂溶液必须用滤袋过滤 ； 调节清洗罐中水溶液的 pH 为 9-9.5 时， 停止加清洗剂 ；
g) 膜系统在测试水通量的压力 8bar 时， 温度在 30 度下运行 20 分钟， 过程每个 10 分钟检测清洗罐中的 pH， 若 pH 下降超过 0.3， 继续补加清洗剂， 维持 pH 在 9.0 ；
h) 清洗总进行 40 分钟后， 根据顶料的方式， 切换阀门， 将清洗剂冲顶干净， 冲净的 判断依据是 ： 浓缩水与循环水的 pH ＝ 6-7， 电导小于 30um/cs ；
i) 冲净干净后， 进行水通量测试， 当水通量满足要求， 根据膜停机保养措施处理。
以上仅为本发明的较佳实施例， 并非对其实施范围的限定， 在本领域普通技术人 员所具备的知识范围内， 基于本案的设计要点， 对其具体实施形态做出的种种变化， 但均应 落入本案的保护范围内。